某MPV车内轰鸣声降噪研究

刘俊峰 马春武 李绍义 李泽西

摘 要：文章以某MPV怠速工况下车内轰鸣声为研究对象，研究轰鸣声产生的机理，振动传递路径和噪声解决的方案。通过噪声测试，扫频分析对车内轰鸣声的激励源及问题频率进行辨识;进行振动传递路径分析，确定了振动主要由发动机经悬置传递至车身引起;通过对车身结构的模态测试和分析，分析出顶棚的局部模态同激励源频率接近从而发生振动耦合，引起了车内轰鸣。提出了对车身顶棚进行结构优化来调整车身模态，避让发动机激励的控制方法。最后对优化结构后的车辆进行车内噪声测试和主观评价，结果表明车内轰鸣声问题得到有效解决。

关键词：轰鸣声;传递路径;模态分析;结构优化

中图分类号：U464  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）21-66-04

Abstract： This paper takes the car booming inside at idle of the MPV as the research object， research the mechanism of booming， vibration transfer path and the solution of noise. Through the noise test， frequency sweep analysis， we have identified the excitation source and problem frequency of the booming; The vibration transmission path of mount was analyzed， and the vibration was determined to be mainly caused by the mount of the engine to the vehicle body. Through the modal test and analysis of the car body structure， it is found that the local modal of the roof is close to the frequency of the excitation source， resulting in the vibration coupling， which causes the booming inside the car. Finally， the noise test and subjective evaluation are carried out on the vehicles with the optimized structure， and the results show that the problem of booming inside the vehicle has been effectively solved.

Keywords： Booming; Transmission path; Modal analysis; Structure optimization

CLC NO.： U464  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）21-66-04

引言

在日益竞争激烈的汽车市场上，汽车的驾乘舒适性一直是人们关注的焦点，振动和噪声是影响车内驾乘舒适性最主要的因素，故而对汽车的NVH（Noise、Vibration、Harshness）性能的研究也愈发受到重视[1]。轰鸣声是一种在较窄频带内，能量分布较为集中的噪声。此噪声能给驾乘人员产生显著的压耳感，使车内乘员感到煩躁不安，头疼甚至呕吐。因此，对车内轰鸣声的分析和抑制研究就显得尤为重要[2]。

本文以某MPV车型出现的怠速轰鸣声问题为例，通过激励频率辨识和有限元模态分析找出了轰鸣声产生的根本原因，通过车身结构优化降低了轰鸣声，为解决此类问题提出了一种研究方法与解决方案。

1 轰鸣声的产生机理

轰鸣声作为车内舒适性的重大影响因素之一，在进行车辆NVH开发过程中尤为受到关注。汽车乘员舱的壁板是由多块薄钢板冲压焊接而成，厚度一般是0.7-1.0mm，具有一定的弹性，类似于扬声器的膜，当受到发动机或路面的激励传时，会引起车身壁板的振动，从而辐射出噪声[3]。空气作为弹性体，在密闭的乘员舱内会产生多阶的声腔模态，车辆在怠速或者行驶过程中，密闭的乘员舱受到低频激励发生压缩变形，其内的空气体积就会变化，易造成车内的声腔与钣金结构振动耦合，从而进一步形成乘员舱内的压力脉动，而压耳感会引起车内乘员压抑，烦躁甚至头晕，恶心的不适感，严重影响车辆的乘坐舒适性[4][5]。

2 实例分析

2.1 问题描述

某MPV车在开发过程中发现车辆在怠速工况下，车内前后排座位处均存在明显轰鸣声。对问题车辆进行车内噪声测试。测试场地为半消声室，测点为前后排左侧耳旁噪声。采用LMS Test.LAB 12通道数采设备进行数据采集，测得该车前后排左侧耳旁噪声频谱数据如图1所示，测试工况怠速D档A/C OFF，怠速转速为800rpm。

由测试结果可知，怠速D档A/C ON @ 800rpm工况下，前后排均出现轰鸣噪声峰值，噪声峰值频率为26.2Hz及其谐次频率。

2.2 激励源辨识

在怠速工况的发动机转速工作范围内，进行转速扫频来评估发动机转速对车内噪声或振动的影响，是一种快捷有效的评估方法。为进一步怠速转速对车内轰鸣噪声的影响，对该车进行怠速工况的扫频试验。具体方法是：通过更改发动机标定怠速转速，使发动机怠速转速从650rpm至900rpm逐级升高，测量车内前后排噪声，测试结果如图2。

由图2可明显看出，在发动机怠速转速在750rpm至800rpm区间时，车内前后排出现峰值噪声;主观感受轰鸣声在怠速750rpm开始出现，在775rpm尤为明显，在800rpm之后渐渐消失。由此可见，试验数据与主观评价一致，发动机怠速转速对车内轰鸣声有显著影响。发动机振动基频计算公式：

此MPV车型为四缸发动机，根据式（1）计算得到怠速工况下发动机的振动基频为26.6Hz，与驾驶室内轰鸣噪声发生频率吻合，由此可初步判断此轰鸣声为发动机点火激励引起。因为发动机怠速转速的标定关系到整车的动力策略调整，影响重大，不能避开轰鸣声发生转速段，故无法通过调整激励源频率来解决此噪声。

3 振动传递路径分析

动力总成到车内的传递路径主要有以下几条：

（1）动力总成激励通过悬置传递到车身;

（2）动力总成激励通过排气管吊耳传递到车身;

（3）动力总成激励通过传动轴和悬架传递到车身。通过对排气管吊耳和传动轴的振动测试分析，排除了该轰鸣声由排气系统和传动系统引起的可能性。

3.1 动力总成悬置隔振性能测试分析

该车为动力总成前置后驱车型，动力总成纵向布置，采取的三点式悬置，左右悬置对称，后点为变速箱悬置。对悬置进行隔振性能测试，在三个悬置的主动侧和被动侧分别布置三向加速度传感器，利用LMS.Test.Lab数采设备对数据进行收集和分析处理，测试工况为怠速工况，根据测试结果计算得到悬置的隔振性能如表2所示。

由表2可知，怠速工況下，三个悬置的X、Y方向的隔振率都达到了20dB以上，满足整车在怠速工况下对悬置隔振性能的要求。但是各悬置Z方向的被动侧振动幅值较其他悬置各向振动幅值明显增大，隔振率接近但未达到20dB，即发动机的Z向激励仍能通过后悬置传递到车身。但本车限于实际情况，无法对悬置隔振性能进行调校。

3.2 车身结构模态测试

车身的模态参数是车身结构的固有特性，不随外界激励的变化而改变，当激励源的激励频率与车身结构的低阶模态或者局部模态耦合时，车身会产生共振从而放大振动或者噪声。为进一步确定轰鸣声的产生机理，对车身结构进行模态测试。激励信号采用激振器的随机信号，在车身上布置多响应测点。试验得到车身前6阶模态和振型描述如表3所示。

由表3可知，车身顶棚的第1阶（25.9Hz）和第4阶模态频率（52.3Hz）与车内轰鸣噪声峰值频率极为接近。综上分析，该车型在怠速工况下，发动机点火激励为主要激励源，振动经悬置传递到车身;车身顶棚存在与激励频率接近的局部模态，发动机点火激励在车身顶棚处产生共振，引起车内密闭声腔的压力脉动，从而引发车内轰鸣声。

4 问题解决与验证

由振动传递路径可知，发动机点火激励由悬置传递至车身，但本车限于实际情况，无法对悬置隔振性能进行调校。根据车身结构模态测试结果可知，发动机点火激励频率与车身的顶棚模态频率存在耦合。为进一步解决因发动机点火激励与车身顶棚结构共振带来的噪声问题，结合工程实际与成本因素，对车身顶棚提出如下改进措施：（1）在顶棚后天窗振幅较大，刚度较低处增设加强横梁，提高顶棚天窗的刚度;（2）加强顶棚天窗与侧围纵梁的焊点强度，加强横梁与侧围之间的连接。优化后的顶棚结构示意图如图3所示。

车身顶棚结构改进后用LMS Test.LAB 数采设备进行车内噪声数据采集，仍然在驾驶员右耳处和后排座椅中间布置麦克风，测得该车前后排中间噪声频谱数据，与原车内轰鸣声噪声频谱进行对比，如图4所示。优化前后的车内噪声幅值如表4所示。

经过车身顶棚结构优化后，车内前排DRE噪声在峰值频率26.2Hz处降低8dB;后排中间噪声降低约4dB;主观评价车内噪声结果表明，前后排轰鸣声显著降低，车内噪声水平可接受。

5 结论

本文通过车内噪声测试，怠速扫频实验，传递路径振动分析，模态分析等方法确定了问题车车内轰鸣声的根本原因：

（1）通过噪声测试和怠速扫频试验，确定了车内轰鸣声的激励源为发动机二阶点火激励;

（2）通过对排气系统，传动系统和悬置的振动测试，确定了发动机激励是通过悬置传递到车内的路径;

（3）通过对车身结构的模态测试和分析，确定了顶棚的局部模态同激励源频率接近从而发生共振，引起了车内轰鸣;

（4）通过对车身顶棚的结构优化，提高了顶棚易变形处的结构强度和模态频率，解决了车内的轰鸣噪声问题。

本文结合振动传递路径和车身模态分析等方法来辨识轰鸣声激励源及产生机理的思路在实际问题解决过程中得到了验证，对于解决车辆开发过程中的轰鸣声一类的NVH问题具备一定的借鉴意义。

参考文献

[1] 王志亮，刘波，王磊.轿车轰鸣声产生机理与分析方法研究[J].噪声与振动控制，2008（02）：79-81.

[2] 庞剑，湛刚，何华，汽车振动与噪声-理论与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2006.

[3] 张栋，康菲.传递路径分析方法在车内轰鸣声问题上的应用[J].农业装备与车辆工程，2015，53（05）：59-63.

[4] 刘宗成，颜伏伍，李进.某乘用车匀速行驶车内轰鸣声分析与控制[J].重庆理工大学学报（自然科学），2018，32（11）：29-34.

[5] 王若平，张旭，夏仕朝，李文武.某MPV车内轰鸣噪声试验分析与降噪改进[J].重庆理工大学学报（自然科学），2018，32（01）：28-34.